A história se passa em 1820, Reino Unido. A trama acompanha o romance entre a paleontóloga Mary Anning (Kate Winslet), que faz importantes descobertas científicas de fósseis marinhos de amonite (um tipo de molusco), ao longo do Canal da Mancha, e uma jovem londrina (Saoirse Ronan), que vive junto ao mar enquanto sua saúde se recupera.
